ABB DCS系統(tǒng)在寶鋼熱軋加熱爐改造中的應用
1. 前言
寶鋼分公司2050熱軋2號加熱爐已經連續(xù)服役15年，達到一代爐齡，設備老化，加之原設計不盡合理之處給生產管理帶來了諸多問題，急需進行大修綜合改造。
另外，隨著近年來蓄熱式燃燒技術的進步，其所顯現的環(huán)保和節(jié)能優(yōu)勢，帶來了巨大的經濟和社會效益。因此，決定結合本次大修在2號加熱爐部分供熱段上蓄熱式燒嘴，以達到節(jié)能增產，減少NOx排放量，實現清潔生產，改善操作環(huán)境，使爐型結構更加合理，也使蓄熱式燃燒技術在寶鋼大型加熱爐上得到推廣應用。
隨著計算機和自動化技術的不斷發(fā)展，在生產過程中發(fā)揮日益重要的作用，其應用程度已成為衡量工業(yè)企業(yè)現代化水平的一個重要標志。為使蓄熱燒嘴系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、安全、高效的運行，并提高的加熱爐整體監(jiān)控和運行水平，必須對原有系統(tǒng)進行升級改造。改造中加熱爐集散控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）采用了ABB新一代DCS系統(tǒng)AC800M，取得了良好的效果。
2. 工藝流程概述
加熱爐生產時，根據軋制計劃將板坯運送到裝料輸送輥道上，由推鋼機送入爐內進行加熱。加熱過程分為8個供熱段，即熱回收段﹑預熱段﹑一加熱段上﹑一加熱段下﹑二加熱段上﹑二加熱段下﹑均熱段上﹑均熱段下。其中一加熱段下和二加熱段下采用蓄熱燒嘴，其他段采用普通平焰燒嘴。板坯在步進粱的作用下，按照優(yōu)化的加熱曲線經過各段的加熱過程，最后達到滿足軋制要求的加熱溫度，再由出鋼機托起板坯出爐，將板坯托放在出料輥道上，送至軋機進行軋制。
3. DCS系統(tǒng)實現的功能
本系統(tǒng)主要負責整個加熱工藝流程的監(jiān)視與控制。系統(tǒng)根據上位機送來的板坯加熱信息，自動調節(jié)各段的熱分配負荷，使板坯加熱均勻達到軋制要求。系統(tǒng)能夠實時指示加熱過程中各段溫度變化，各段空氣/煤氣流量變化，并能夠根據需要手動調節(jié)閥門開度﹑設置空燃比﹑關閉/打開燒嘴﹑加熱方式切換等，還可以實現報警﹑曲線分析﹑班報表等功能。
4. 硬件配置及網絡結構
硬件配置：ABB AC800M 控制器PM861 2個（冗余）
Profibus通訊模塊CI851 1塊
MoudleBus通訊模塊CI830 1塊
模擬量輸入模塊AI810 5塊
模擬量輸出模塊AO810 5塊
熱電偶輸入模塊AI835 9塊
熱電阻輸入模塊AI830 10塊
數字量輸入模塊DI810 20塊
數字量輸出模塊DO820 20塊
操作站2臺 HP CPU2.4G 256MRAM
I/O服務器2臺 HP CPU:P4 3.6G 512MRAM
工業(yè)以太網交換機3臺 100M TP-LINK
I/O點數量440點
軟件配置：2套 WINDOWS2000Server 英文版
Intellution iFIX 3.5 授權2個
ABB CONTROL BUILDER M Professional 一套
網絡結構如圖：
圖1 加熱爐DCS網絡結構圖
從圖中可以看出，系統(tǒng)分為三級網絡結構，I/O服務器和HMI間采用標準的分布式客戶機/服務器結構，控制器與I/O模塊采用Profibus現場總線。
第一級為現場設備級。主要包括加熱爐煤氣/空氣/煙氣管道的各種調節(jié)閥﹑切斷閥﹑差壓變送器等，以及加熱爐8個供熱段的熱電偶，水粱冷卻水的流量開關﹑熱電阻，蓄熱燒嘴和常規(guī)燒嘴的點火和檢測裝置等等。與這些現場設備相關的各種檢測或控制信號，以不同形式接至ABB DCS系統(tǒng)的S800系列的各種AI﹑AO﹑DI或DO模塊。這些模塊都帶有通道隔離功能，安全可靠，可由有效的保護模塊。
第二級為控制處理級。主要包括ABB AC800M DCS冗余的PM861中央控制器﹑Profibus-DP模塊CI851﹑ModuleBus模塊CI830﹑S800系列I/O模塊和工業(yè)以太網交換機等。每個中央控制器有2個RJ45以太網接口，可以連接到兩個不同的網段中，2個RJ45的RS232C接口可以實現兩個控制器的狀態(tài)監(jiān)視，平時一用一備，一旦一個控制器出現問題，可實現無擾動切換。
第三級為監(jiān)控管理級。主要由冗余I/O服務器﹑工程師站﹑2臺HMI和工業(yè)以太網交換機組成。I/O服務器實現控制器與HMI的實時數據傳輸，并接受來自L2級板坯加熱優(yōu)化系統(tǒng)的設定信息。工程師站負責系統(tǒng)組態(tài)及日常維護。在HMI中采用iFIX軟件進行集中監(jiān)視、控制、報警、趨勢分析、信息管理和報表打印等功能。
5.系統(tǒng)特點
5.1 工程師站和操作站特點
（1）監(jiān)控軟件采用基于Windows平臺的美國Intellution公司的iFIX軟件。IFIX不僅提供了可視化的窗口，包含作圖工具、ActiveX控件、開發(fā)向導和專家的工具箱。特有的動畫向導、智能圖符生成向導等強大的圖形工具方便了系統(tǒng)開發(fā)。而且系統(tǒng)具有良好的開放性，支持以太網、Profibus DP、RS232/422/485等通訊方式，支持TCP/IP、NetDDE、ODBC、OPC等標準通信協(xié)議。
（2）I/O服務器相互冗余，在一臺服務器出現問題而停止工作的情況下，系統(tǒng)仍可以正常的工作，保證了系統(tǒng)運行的安全可靠。
（3）全中文操作界面，有利于工程項目的開發(fā)和調試。
5.2 系統(tǒng)的實時數據傳遞
（1）控制器和主要的通信模塊及遠程站采用Profibus-DP總線，該總線屬于設備總線，主要應用于復雜現場設備和分布式I/O，物理結構為RS-485，傳輸速率為9.6kb/s∽12Mb/s。
（2）控制器和I/O服務器之間的數據傳遞采用OPC方式。OPC服務器端ABB OPC Server在I/O服務器中運行，并通過ABB專用的MMS Server 與控制器實現實時數據交換，可以對現場設備及其驅動程序進行封裝。OPC服務器向下對設備數據進行采集，向上與OPC客戶應用程序通信完成數據交換。OPC服務器屏蔽了現場層的設備驅動程序；客戶應用程序開發(fā)人員看到的，只是OPC服務器提供的統(tǒng)一接口，而不必再去關心現場設備的驅動程序。只要客戶應用程序符合OPC接口規(guī)范，就可以與OPC服務器進行數據交換。
（3）數據傳遞見下圖
圖2 數據傳遞流程圖
5.3 控制器及I/O模塊特點
（1）控制器的時鐘頻率為48MHz，運算速度為0.27ms/千條指令，程序存儲空間16M，24V供電，提供2個以太網口，2個RS232口。兩控制器冗余配置，電源也冗余。
（2）所有I/O模塊都可帶電插拔，不會給控制器帶來影響。底部硬件鎖保證更換的模塊與原模塊型號相同。當模塊通訊中斷時，所有輸入輸出都可以設定在預定義的值內或保持不變。
5.4 系統(tǒng)組態(tài)
（1）高效的組態(tài)工具 Compact Control Builder ，符合IEC1131標準，提供了六種編程方式：指令表、結構文檔、功能塊圖、順序圖、梯型圖和Control Module。后一種為ABB獨創(chuàng)，具有更高的工程效率和易用性。
（2）可離線進行仿真測試，無需目標控制器；如需進行軟件綜合測試，可將程序下載至軟控制器，進行測試。
（3）強大的在線幫助系統(tǒng)，提供隨時的幫助信息，提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)難度。
6. 典型調節(jié)回路
6.1 爐溫雙交叉限幅控制
在加熱爐燃燒控制方案上采用了廣泛使用的串級交叉限幅控制方案,能夠較好的達到控制空燃比，降低NOX，以及節(jié)能的目的。
它時以以出爐溫度為一個主控回路，煤氣流量和空氣流量為兩個副控回路，實現煤氣穩(wěn)定而有效的燃燒。
以爐溫調節(jié)器的輸出信號決定空氣流量和煤氣流量調節(jié)器的設定值，同時，在煤氣控制回路和空氣控制回路都設有低選和高選的比較選擇器。比較的參考信號是由實測的煤氣流量和空氣流量換算成對應對方的允許流量,與溫度調節(jié)器輸出的要求流量進行比較后組成雙交叉限幅選擇性控制。交叉限幅控制可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，此系統(tǒng)不但在穩(wěn)定時能保持適當的空氣-燃料比，在動態(tài)時也能在一定范圍內維持系統(tǒng)的空氣-燃料比。
6.2 爐壓調節(jié)
當對燒嘴的燃燒方式進行切換時或爐門開啟時，容易引起爐壓波動，引起冷風倒灌或火焰從爐內噴出。爐壓調節(jié)器根據安裝在均熱段壁上的變送器測量的壓力變化采用PID方式去控制煙道上擋板閥的開度，以保證爐內維護微正壓。
當裝料爐門或出料爐門開啟時會對爐內壓力形成擾動，這種干擾采用常規(guī)的控制方法不能消除，需在爐門開啟期間進行爐壓自學習控制。
7. 結束語
加熱爐DCS自2005初改造完成后，不僅性能穩(wěn)定，界面友好，操作簡單，維護工作量小，而且產生了巨大的經濟和社會效益，。ABB的AC800M系統(tǒng)配置靈活，功能強大，易學易用，性價比高，既具有相當的技術先進性，又代表當今DCS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，是企業(yè)進行技術改造和生產企業(yè)過程實現首選的自控系統(tǒng)。
寶鋼分公司2050熱軋2號加熱爐已經連續(xù)服役15年，達到一代爐齡，設備老化，加之原設計不盡合理之處給生產管理帶來了諸多問題，急需進行大修綜合改造。
另外，隨著近年來蓄熱式燃燒技術的進步，其所顯現的環(huán)保和節(jié)能優(yōu)勢，帶來了巨大的經濟和社會效益。因此，決定結合本次大修在2號加熱爐部分供熱段上蓄熱式燒嘴，以達到節(jié)能增產，減少NOx排放量，實現清潔生產，改善操作環(huán)境，使爐型結構更加合理，也使蓄熱式燃燒技術在寶鋼大型加熱爐上得到推廣應用。
隨著計算機和自動化技術的不斷發(fā)展，在生產過程中發(fā)揮日益重要的作用，其應用程度已成為衡量工業(yè)企業(yè)現代化水平的一個重要標志。為使蓄熱燒嘴系統(tǒng)能夠穩(wěn)定、安全、高效的運行，并提高的加熱爐整體監(jiān)控和運行水平，必須對原有系統(tǒng)進行升級改造。改造中加熱爐集散控制系統(tǒng)（DCS，Distributed Control System）采用了ABB新一代DCS系統(tǒng)AC800M，取得了良好的效果。
2. 工藝流程概述
加熱爐生產時，根據軋制計劃將板坯運送到裝料輸送輥道上，由推鋼機送入爐內進行加熱。加熱過程分為8個供熱段，即熱回收段﹑預熱段﹑一加熱段上﹑一加熱段下﹑二加熱段上﹑二加熱段下﹑均熱段上﹑均熱段下。其中一加熱段下和二加熱段下采用蓄熱燒嘴，其他段采用普通平焰燒嘴。板坯在步進粱的作用下，按照優(yōu)化的加熱曲線經過各段的加熱過程，最后達到滿足軋制要求的加熱溫度，再由出鋼機托起板坯出爐，將板坯托放在出料輥道上，送至軋機進行軋制。
3. DCS系統(tǒng)實現的功能
本系統(tǒng)主要負責整個加熱工藝流程的監(jiān)視與控制。系統(tǒng)根據上位機送來的板坯加熱信息，自動調節(jié)各段的熱分配負荷，使板坯加熱均勻達到軋制要求。系統(tǒng)能夠實時指示加熱過程中各段溫度變化，各段空氣/煤氣流量變化，并能夠根據需要手動調節(jié)閥門開度﹑設置空燃比﹑關閉/打開燒嘴﹑加熱方式切換等，還可以實現報警﹑曲線分析﹑班報表等功能。
4. 硬件配置及網絡結構
硬件配置：ABB AC800M 控制器PM861 2個（冗余）
Profibus通訊模塊CI851 1塊
MoudleBus通訊模塊CI830 1塊
模擬量輸入模塊AI810 5塊
模擬量輸出模塊AO810 5塊
熱電偶輸入模塊AI835 9塊
熱電阻輸入模塊AI830 10塊
數字量輸入模塊DI810 20塊
數字量輸出模塊DO820 20塊
操作站2臺 HP CPU2.4G 256MRAM
I/O服務器2臺 HP CPU:P4 3.6G 512MRAM
工業(yè)以太網交換機3臺 100M TP-LINK
I/O點數量440點
軟件配置：2套 WINDOWS2000Server 英文版
Intellution iFIX 3.5 授權2個
ABB CONTROL BUILDER M Professional 一套
網絡結構如圖：
圖1 加熱爐DCS網絡結構圖
從圖中可以看出，系統(tǒng)分為三級網絡結構，I/O服務器和HMI間采用標準的分布式客戶機/服務器結構，控制器與I/O模塊采用Profibus現場總線。
第一級為現場設備級。主要包括加熱爐煤氣/空氣/煙氣管道的各種調節(jié)閥﹑切斷閥﹑差壓變送器等，以及加熱爐8個供熱段的熱電偶，水粱冷卻水的流量開關﹑熱電阻，蓄熱燒嘴和常規(guī)燒嘴的點火和檢測裝置等等。與這些現場設備相關的各種檢測或控制信號，以不同形式接至ABB DCS系統(tǒng)的S800系列的各種AI﹑AO﹑DI或DO模塊。這些模塊都帶有通道隔離功能，安全可靠，可由有效的保護模塊。
第二級為控制處理級。主要包括ABB AC800M DCS冗余的PM861中央控制器﹑Profibus-DP模塊CI851﹑ModuleBus模塊CI830﹑S800系列I/O模塊和工業(yè)以太網交換機等。每個中央控制器有2個RJ45以太網接口，可以連接到兩個不同的網段中，2個RJ45的RS232C接口可以實現兩個控制器的狀態(tài)監(jiān)視，平時一用一備，一旦一個控制器出現問題，可實現無擾動切換。
第三級為監(jiān)控管理級。主要由冗余I/O服務器﹑工程師站﹑2臺HMI和工業(yè)以太網交換機組成。I/O服務器實現控制器與HMI的實時數據傳輸，并接受來自L2級板坯加熱優(yōu)化系統(tǒng)的設定信息。工程師站負責系統(tǒng)組態(tài)及日常維護。在HMI中采用iFIX軟件進行集中監(jiān)視、控制、報警、趨勢分析、信息管理和報表打印等功能。
5.系統(tǒng)特點
5.1 工程師站和操作站特點
（1）監(jiān)控軟件采用基于Windows平臺的美國Intellution公司的iFIX軟件。IFIX不僅提供了可視化的窗口，包含作圖工具、ActiveX控件、開發(fā)向導和專家的工具箱。特有的動畫向導、智能圖符生成向導等強大的圖形工具方便了系統(tǒng)開發(fā)。而且系統(tǒng)具有良好的開放性，支持以太網、Profibus DP、RS232/422/485等通訊方式，支持TCP/IP、NetDDE、ODBC、OPC等標準通信協(xié)議。
（2）I/O服務器相互冗余，在一臺服務器出現問題而停止工作的情況下，系統(tǒng)仍可以正常的工作，保證了系統(tǒng)運行的安全可靠。
（3）全中文操作界面，有利于工程項目的開發(fā)和調試。
5.2 系統(tǒng)的實時數據傳遞
（1）控制器和主要的通信模塊及遠程站采用Profibus-DP總線，該總線屬于設備總線，主要應用于復雜現場設備和分布式I/O，物理結構為RS-485，傳輸速率為9.6kb/s∽12Mb/s。
（2）控制器和I/O服務器之間的數據傳遞采用OPC方式。OPC服務器端ABB OPC Server在I/O服務器中運行，并通過ABB專用的MMS Server 與控制器實現實時數據交換，可以對現場設備及其驅動程序進行封裝。OPC服務器向下對設備數據進行采集，向上與OPC客戶應用程序通信完成數據交換。OPC服務器屏蔽了現場層的設備驅動程序；客戶應用程序開發(fā)人員看到的，只是OPC服務器提供的統(tǒng)一接口，而不必再去關心現場設備的驅動程序。只要客戶應用程序符合OPC接口規(guī)范，就可以與OPC服務器進行數據交換。
（3）數據傳遞見下圖
圖2 數據傳遞流程圖
5.3 控制器及I/O模塊特點
（1）控制器的時鐘頻率為48MHz，運算速度為0.27ms/千條指令，程序存儲空間16M，24V供電，提供2個以太網口，2個RS232口。兩控制器冗余配置，電源也冗余。
（2）所有I/O模塊都可帶電插拔，不會給控制器帶來影響。底部硬件鎖保證更換的模塊與原模塊型號相同。當模塊通訊中斷時，所有輸入輸出都可以設定在預定義的值內或保持不變。
5.4 系統(tǒng)組態(tài)
（1）高效的組態(tài)工具 Compact Control Builder ，符合IEC1131標準，提供了六種編程方式：指令表、結構文檔、功能塊圖、順序圖、梯型圖和Control Module。后一種為ABB獨創(chuàng)，具有更高的工程效率和易用性。
（2）可離線進行仿真測試，無需目標控制器；如需進行軟件綜合測試，可將程序下載至軟控制器，進行測試。
（3）強大的在線幫助系統(tǒng)，提供隨時的幫助信息，提高了開發(fā)效率，降低了開發(fā)難度。
6. 典型調節(jié)回路
6.1 爐溫雙交叉限幅控制
在加熱爐燃燒控制方案上采用了廣泛使用的串級交叉限幅控制方案,能夠較好的達到控制空燃比，降低NOX，以及節(jié)能的目的。
它時以以出爐溫度為一個主控回路，煤氣流量和空氣流量為兩個副控回路，實現煤氣穩(wěn)定而有效的燃燒。
以爐溫調節(jié)器的輸出信號決定空氣流量和煤氣流量調節(jié)器的設定值，同時，在煤氣控制回路和空氣控制回路都設有低選和高選的比較選擇器。比較的參考信號是由實測的煤氣流量和空氣流量換算成對應對方的允許流量,與溫度調節(jié)器輸出的要求流量進行比較后組成雙交叉限幅選擇性控制。交叉限幅控制可以改善系統(tǒng)的動態(tài)特性，此系統(tǒng)不但在穩(wěn)定時能保持適當的空氣-燃料比，在動態(tài)時也能在一定范圍內維持系統(tǒng)的空氣-燃料比。
6.2 爐壓調節(jié)
當對燒嘴的燃燒方式進行切換時或爐門開啟時，容易引起爐壓波動，引起冷風倒灌或火焰從爐內噴出。爐壓調節(jié)器根據安裝在均熱段壁上的變送器測量的壓力變化采用PID方式去控制煙道上擋板閥的開度，以保證爐內維護微正壓。
當裝料爐門或出料爐門開啟時會對爐內壓力形成擾動，這種干擾采用常規(guī)的控制方法不能消除，需在爐門開啟期間進行爐壓自學習控制。
7. 結束語
加熱爐DCS自2005初改造完成后，不僅性能穩(wěn)定，界面友好，操作簡單，維護工作量小，而且產生了巨大的經濟和社會效益，。ABB的AC800M系統(tǒng)配置靈活，功能強大，易學易用，性價比高，既具有相當的技術先進性，又代表當今DCS系統(tǒng)的發(fā)展趨勢，是企業(yè)進行技術改造和生產企業(yè)過程實現首選的自控系統(tǒng)。
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